Úvod do HEC-RAS

Vítejte v systému analýzy řek armády USA (HEC-RAS) vyvinutém hydrologickým inženýrským střediskem. Tento software umožňuje provádět jednorozměrné ustálené proudění, jednorozměrné a dvourozměrné výpočty nestabilního toku, výpočty transportu sedimentů / mobilních lůžek a modelování teploty vody/kvality vody.

modelovací systém HEC-RAS byl vyvinut jako součást hydrologického inženýrského centra “Next Generation” (NexGen) hydrologického inženýrského softwaru. Projekt NexGen zahrnuje několik aspektů hydrologického inženýrství, včetně: analýza srážek a odtoku (HEC-HMS); říční hydraulika (HEC-RAS); simulace rezervoárového systému (HEC-ResSim); analýza povodňových škod (HEC-FDA a HEC-FIA); a předpovědi řek v reálném čase pro provoz nádrží (CWMS).

tato kapitola pojednává o obecné filozofii HEC-RAS a podává stručný přehled možností modelovacího systému. Dokumentace pro HEC-RAS je diskutována, stejně jako přehled této příručky.

obecná filozofie modelovacího systému

HEC-RAS je integrovaný systém softwaru, určený pro interaktivní použití v prostředí s více úkoly. Systém se skládá z grafického uživatelského rozhraní (GUI), samostatných komponent analýzy, možností ukládání a správy dat, grafiky, mapování a reportingu.

systém HEC-RAS obsahuje následující komponenty analýzy řek pro: (1) výpočty jednorozměrného profilu povrchu vody s ustáleným průtokem; (2) jednorozměrná a / nebo dvourozměrná simulace nestabilního toku; (3) kvazi nestabilní nebo zcela nestabilní tok pohyblivé hranice sedimentu transportní výpočty (1D a 2D); a (4) jednorozměrná analýza kvality vody. Klíčovým prvkem je, že všechny čtyři komponenty používají společnou geometrickou reprezentaci dat a společné geometrické a hydraulické výpočetní rutiny. Kromě čtyř komponent analýzy řeky, systém obsahuje několik hydraulických konstrukčních prvků, které lze vyvolat po výpočtu profilů vodní hladiny. HEC-RAS má také rozsáhlý systém integrace a mapování prostorových dat (HEC-RAS Mapper).

přehled možností programu

HEC-RAS je určen k provádění jednorozměrných a dvourozměrných hydraulických výpočtů pro plnou síť přirozených a konstruovaných kanálů, nadzemních / lužních oblastí, chráněných oblastí hrází; atd … následuje popis hlavních schopností HEC-RAS.

uživatelské rozhraní

uživatel komunikuje s HEC-RAS prostřednictvím grafického uživatelského rozhraní (GUI). Hlavním zaměřením při návrhu rozhraní bylo usnadnit používání softwaru při zachování vysoké úrovně efektivity pro uživatele. Rozhraní poskytuje následující funkce:

• Správa souborů
• zadávání/editace dat a geoprostorová datová rozhraní
• analýzy řek
• Tabulka a grafické zobrazení vstupních a výstupních dat
• mapování zaplavení a animace šíření vody
• reportingová zařízení
• on-line nápověda

komponenty analýzy řek

• profily hladin vody v ustáleném toku. Tato součást modelovacího systému je určena pro výpočet profilů vodních povrchů pro stabilní postupně se měnící průtok. Systém zvládne celou síť kanálů, dendritický systém, nebo jediný dosah řeky. Složka s ustáleným průtokem je schopna modelovat subkritické, superkritické a smíšené profily vodních povrchů v režimu proudění.
  základní výpočetní postup je založen na řešení jednorozměrné energetické rovnice. Energetické ztráty jsou hodnoceny třením (Manningova rovnice) a kontrakcí / expanzí (koeficient vynásobený změnou rychlosti hlavy). Rovnice hybnosti se používá v situacích, kdy se profil povrchu vody rychle mění. Tyto situace zahrnují výpočty smíšeného průtokového režimu (tj. hydraulické skoky), hydrauliku mostů a vyhodnocení profilů na soutoku řek (křižovatky potoků).
  v výpočtech lze zvážit účinky různých překážek, jako jsou mosty, propustky, přehrady, jezy a další struktury v nivě. Systém steady flow je určen pro použití v povodňových a povodňových pojistných studiích k vyhodnocení zásahů povodňových cest. K dispozici jsou také možnosti pro posouzení změny profilů vodních povrchů v důsledku úprav kanálů a hrází.
  zvláštní vlastnosti komponenty ustáleného toku zahrnují: analýzy více plánů; výpočty s více profily; analýza otevření více mostů a / nebo propustků; analýza prohledávání mostů; optimalizace děleného toku; a návrh a analýza stabilního kanálu.
• Nestabilní Simulace Proudění. Tato součást modelovacího systému HEC-RAS je schopna simulovat jednorozměrné; dvourozměrné; a kombinované jedno/dvourozměrné nestabilní proudění plnou sítí otevřených kanálů, záplavových oblastí a aluviálních ventilátorů. Komponenta unsteady flow může být použita pro výpočty subkritických, superkritických a smíšených proudových režimů (subkritických, superkritických, hydraulických skoků a čerpání) v modulu unsteady flow computations.
  hydraulické výpočty pro průřezy, mosty, propustky a další hydraulické konstrukce, které byly vyvinuty pro komponentu ustáleného proudění, byly začleněny do modulu nestálého proudění.
  zvláštní vlastnosti komponenty nestabilního toku zahrnují: rozsáhlou analýzu hydraulických struktur; prolomení hráze a překročení; Čerpací stanice; operace navigační přehrady; tlakové potrubní systémy; automatizované kalibrační funkce; uživatelsky definovaná pravidla; a kombinované jednorozměrné a dvourozměrné nestálé modelování toku.
• Výpočty Transportu Sedimentů/Pohyblivých Hranic. Tato součást modelovacího systému je určena pro simulaci jednorozměrných a dvourozměrných výpočtů transportu sedimentů / pohyblivých hranic vyplývajících z čištění a ukládání během středních až dlouhých časových období.
  transportní potenciál sedimentu je vypočítán frakcí velikosti zrna, což umožňuje simulaci hydraulického třídění a pancéřování. Mezi hlavní funkce patří schopnost modelovat celou síť proudů, bagrování kanálů, různé alternativy hráze a zásahu, a použití několika různých rovnic pro výpočet transportu sedimentů.
  model je navržen tak, aby simuloval dlouhodobé trendy čištění a ukládání v proudovém kanálu, které by mohly být výsledkem úpravy frekvence a trvání vypouštění vody a stupně nebo úpravy geometrie kanálu. Tento systém lze použít k vyhodnocení depozice v nádržích, navrhnout kontrakce kanálů potřebné k udržení navigačních hloubek, předpovědět vliv bagrování na rychlost depozice, odhadnout maximální možné prohledávání během velkých povodňových událostí, a vyhodnotit sedimentaci v pevných kanálech.
• Analýza Kvality Vody. Tato součást modelovacího systému má umožnit uživateli provádět analýzy kvality říční vody. Současná verze HEC-RAS může provádět podrobnou analýzu teploty a transport omezeného počtu složek kvality vody (řasy, rozpuštěný kyslík, biologická potřeba kyslíku Carbonaceuos, rozpuštěný Ortofosfát, rozpuštěný organický fosfor, rozpuštěný dusičnan amonný, rozpuštěný Dusitanový dusík, rozpuštěný dusičnan dusík a rozpuštěný organický dusík). Budoucí verze softwaru budou zahrnovat schopnost provádět přepravu několika dalších složek kvality vody.

ukládání a správa dat

ukládání dat se provádí pomocí “plochých” souborů (ASCII a binární), HEC-DSS (systém pro ukládání dat) a HDF5 (hierarchický Formát dat, verze 5). Uživatelská vstupní data jsou uložena v plochých souborech v samostatných kategoriích projektu, plánu, geometrie, stálého toku, nestabilního toku, kvazi-stálého toku, sedimentu dat a informací o kvalitě vody. Výstupní data jsou převážně uložena v samostatných binárních souborech (HEC a HDF5). Data mohou být přenášena mezi HEC-RAS a dalšími programy pomocí HEC-DSS.
správa dat se provádí prostřednictvím uživatelského rozhraní. Modelář je požádán, aby zadal jeden název souboru pro vyvíjený projekt. Po zadání názvu souboru projektu jsou všechny ostatní soubory automaticky vytvořeny a pojmenovány rozhraním podle potřeby. Rozhraní umožňuje přejmenování, přesouvání a mazání souborů na základě projektu podle projektu.

grafika, mapování inundace a hlášení

grafika zahrnuje XY grafy schématu říčního systému, průřezy, profily, křivky hodnocení, hydrografy a mapování inundace. Nyní je k dispozici trojrozměrný graf terénu a mnoho výsledků simulace. Mapování inundace se provádí v části softwaru HEC-RAS Mapper. Inundační mapy mohou být také animované a obsahují více vrstev pozadí (terén, letecké fotografie atd.). K dispozici je tabulkový výstup. Uživatelé si mohou vybrat z předdefinovaných tabulek nebo vytvořit vlastní přizpůsobené tabulky. Veškerý grafický a tabulkový výstup lze zobrazit na obrazovce, odeslat přímo do tiskárny (nebo plotru) nebo projít schránkou Windows do jiného softwaru, jako je textový procesor nebo tabulka.
reportovací zařízení umožňují tištěný výstup vstupních i výstupních dat. Zprávy lze přizpůsobit, pokud jde o množství a typ požadovaných informací.

dokumentace HEC-RAS

balíček HEC-RAS obsahuje několik dokumentů. Každý dokument je navržen tak, aby pomohl modeláři naučit se používat konkrétní aspekt modelovacího systému. Existují tři hlavní části dokumentace:

přehled této příručky

tato uživatelská příručka je primární dokumentací, jak používat systém HEC-RAS. Příručka je uspořádána následovně:

• kapitoly 1-2 poskytují úvod a přehled HEC-RAS, stejně jako pokyny k instalaci softwaru.
• kapitoly 3-4 popisují, jak používat software HEC-RAS z pohledu přehledu. Pochopení toho, jak tento systém pracuje s projekty, je také diskutováno, včetně definování všech používaných typů souborů.
• kapitoly 5 vysvětlují, jak zadávat a upravovat geometrická data tak, aby reprezentovala řeku, nivu a hydraulické struktury.
• kapitoly 6 a 7 podrobně vysvětlují, jak provádět různé typy hydraulických analýz, které jsou k dispozici, jako je modelování ustáleného toku 1D a modelování nestabilního toku 1D
• Kapitola 8 poskytuje podrobné diskuse o tom, jak zobrazit grafický a tabulkový výstup a jak vyvinout uživatelsky definované tabulky.
• Kapitola 9 popisuje, jak provést analýzu protipovodňových zásahů.
• Kapitola 10 poskytuje diskuse o “odstraňování problémů” a pochopení nejčastějších chyb, varování a poznámek.
• Kapitola 11 popisuje, jak provádět výpočty bridge scour z HEC-RAS.
• Kapitola 12 popisuje, jak provádět úpravy kanálů v rámci HEC-RAS.
• Kapitola 13 popisuje použití hydraulických konstrukčních funkcí v HEC-RAS pro provádění stabilního návrhu a analýzy kanálů, jakož i výpočtů potenciálu transportu sedimentů a dimenzování rip rap.
• Kapitola 14 obsahuje témata o pokročilém využití nestabilních simulačních schopností toku, včetně: smíšeného režimu proudění pro nestabilní tok; analýza přerušení přehrady; přehradní přehrady a prolomení; modelování čerpacích stanic; navigační přehrady; a uživatelem definovaná pravidla pro řízení provozu brány.
• Příloha A obsahuje seznam odkazů.
• Dodatek B obsahuje podrobný popis formátů souborů používaných pro import a export dat GIS do A Z HEC-RAS.
• Dodatek C obsahuje popis všech výstupních proměnných dostupných z programu HEC-RAS.
• Dodatek D pojednává o tom, jak importovat data HEC-2 do HEC-RAS